Текст книги "Строительные стекломатериалы и изделия"

Прочность. Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под влиянием внутренних напряжений, возникающих в результате действия на материал внешних нагрузок или других факторов. В построенном здании почти все конструкции испытывают нагрузки (вес частей здания, вес оборудования, вес мебели и др.), вследствие чего в материалах конструкций возникают напряжения, противодействующие внешним силам.

Основными показателями, характеризующими прочность материала, являются сопротивление сжатию, растяжению, изгибу. Прочность материала при сжатии и растяжении характеризуется его пределом прочности. Предел прочности, или временное сопротивление, – напряжение в материале образца, соответствующее нагрузке, при которой он разрушается.

Предел прочности различных материалов при сжатии и растяжении меняется в широких пределах – от 0,5 до 1000 МПа и более. Для многих материалов предел прочности при сжатии резко отличается от предела прочности при растяжении. Одинаково хорошо сопротивляются сжатию и растяжению такие материалы, как сталь, древесина. Плохо сопротивляются растяжению каменные материалы: природный камень, кирпич, бетон и т.п.

Примером прочности конструкции при изгибе может служить мост, доска через канаву, а также балка, на которую опираются плиты перекрытия, стропила крыши.

Твердость. Твердость – это способность материалов сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Существуют несколько способов определения твердости. Например, твердость каменных материалов оценивают шкалой Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой сам чертится этим материалом.

1 Тальк или мел (легко чертится ногтем).

2 Гипс или каменная соль (чертится ногтем).

3 Кальцит или ангидрит (легко чертится стальным ножом).

4 Плавиковый шпат (чертится стальным ножом под небольшим нажимом).

5 Апатит (сталь) (чертится стальным ножом под большим нажимом).

6 Полевой шпат (слегка царапает стекло, стальным ножом не чертится).

7 Кварц (легко чертит стекло, стальным ножом не чертится).

8 Топаз.

9 Корунд.

10 Алмаз.

Износ. Износ – это разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергаются материалы дорожных покрытий, полов промышленных предприятий, аэродромов и др.

Сопротивление удару. Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в дорожных покрытиях и полах. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе – копре.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться тому или иному виду обработки. Так, древесина хорошо обрабатывается инструментами. Технологические свойства некоторых полимерных материалов включают способность сверлиться, обтачиваться, свариваться, склеиваться. Глиняные, бетонные и иные смеси обладают пластичностью, вязкостью, которые обеспечивают заполнение определенного объема.

Вязкость. Вязкость – это сопротивление жидкости передвижению одного ее слоя относительно другого. Когда какой-либо слой жидкости приводится в движение, то соседние слои также вовлекаются в движение и оказывают ему сопротивление, величина которого зависит от температуры и вещественного состава. Вязкостные свойства важны при использовании органических вяжущих веществ, природных и синтетических полимеров, красочных составов, масел, клеев. При нагревании вязкость этих материалов снижается, при охлаждении – повышается.

Упругость. Упругость является свойством материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считается напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины.

Пластичность – способность материала деформироваться без разрыва сплошности под влиянием внешнего механического воздействия и сохранять полученную форму, когда действие внешней силы закончится. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и др.

Акустические свойства проявляются при действии звука на материал. Акустические материалы по назначению могут быть звукопоглощающие, звукоизолирующие, вибропоглощающие и виброизолирующие.

Звукопоглощающие материалы. Звукопоглощающие материалы предназначены для поглощения шумового звука. Их акустической характеристикой является величина коэффициента звукопоглощения, равная отношению количества поглощенной материалом звуковой энергии к общему количеству звуковой энергии, падающей на поверхность материала в единицу времени. Как правило, такие материалы имеют большую пористость или шероховатую, рельефную поверхность, поглощающую звук. Строительные материалы, у которых коэффициент звукопоглощения выше 0,2, называют звукопоглощающими.

Звукоизолирующие материалы. Звукоизолирующие материалы применяют для ослабления ударного звука, передающегося через строительные конструкции здания из одного помещения в другое. Звукоизоляционные материалы оценивают по двум показателям: относительной сжимаемости под нагрузкой в процентах и динамическому модулю упругости.

Вибропоглощающие и виброизолирующие материалы предназначены для предотвращения передачи вибрации от машин и механизмов к строительным конструкциям.

Ниже приводятся некоторые свойства строительных материалов.

Химические свойства характеризуют способность материалов реагировать на внешние воздействия, ведущие к изменению химической структуры, а также воздействовать в этом отношении на другие материалы. Основные химические свойства: растворимость и стойкость к коррозии (кислотостойкость, щелочестойкость, газостойкость).

Растворимость. Растворимость – это способность материала растворяться в жидких растворителях: воде, керосине, бензине, масле и других, образовывая новые растворы. Растворимость зависит от химического состава веществ, давления и температуры. Показателем растворимости является произведение растворимости, представляющее собой предельное содержание растворенного вещества в граммах на 100 мл раствора при нормальном давлении и заданной температуре.

Стойкость к коррозии. Стойкость к коррозии является свойством материала сохранять свои качества в условиях агрессивной среды. Такой средой могут быть вода, газы, растворы солей, щелочей, кислот, органические растворители, а также биологические организмы (бактерии, водоросли и т.п.). Древесина, пластмассы, битумы и некоторые другие органические материалы при обычных температурах относительно стойки к действию кислот и щелочей средней и слабой концентрации.

Адгезия. Адгезия представляет собой соединение, сцепление твердых и жидких материалов по поверхности. Это свойство обусловлено межмолекулярным взаимодействием. Адгезионные силы сцепления очень важны при получении строительных материалов, состоящих из многих компонентов, например железобетон.

Кристаллизация. Кристаллизия представляет собой процесс образования кристаллов из паров, растворов, расплавов при электролизе и химических реакциях, который сопровождается выделением тепла.

Долговечность. Долговечность представляет собой способность материала сопротивляться комплексному действию атмосферных и других факторов в условиях эксплуатации. Старение – это процесс постепенного изменения, ухудшения свойств материалов в условиях эксплуатации.

Знание этих и других свойств позволяет сравнивать материалы между собой и определять область их применения с учетом технико-экономической целесообразности. Так, в условиях эксплуатации гидротехнических сооружений строительные материалы, изделия и конструкции, из которых они построены, подвергаются периодическому или постоянному воздействию воды и агрессивных сред, поэтому к ним предъявляются повышенные требования по водостойкости, морозостойкости, водонепроницаемости, корроизонной стойкости и др.

Многие материалы под влиянием водопоглощения ярко проявляют повышенные пластические свойства. Практика строительства показывает, что выбор технически целесообразного материала обосновывают не только его прочностные характеристики, но стойкость к воздействию внешней среды, в которой работает конструкция. Обычно эта стойкость материала во времени (долговечность) неразрывно связана с его химическими и физико-химическими свойствами. Физико-химические в свою очередь тесно связаны со структурой материала и зависят от ее изменения под влиянием внешних и внутренних факторов.

Вследствие проникновения химических реагентов из внешней среды внутренние химические реакции с образованием новых соединений могут значительным образом отразиться на структуре. Изменение структуры (микроструктуры и макроструктуры) в первый период может привести к псевдоупрочнению, а в дальнейшем – к сокращению долговечности материала. Применяемый в строительстве материал обычно подвергают технологической обработке. Cпособность поддаваться такой обработке является порой решающим показателем при выборе материала. Так, при массовой заготовке щебня для бетонных работ учитывается способность горной породы дробиться без образования плоских щебенок, поэтому при выборе материалов всегда учитывают его способность реагировать на отдельные или взятые в совокупности следующие факторы: физические, механические, внешнюю среду, температуру и ее колебания, химические реагенты, технологические операции и т.д. Эта способность материала реагировать на указанные факторы определяется его свойствами.

Оценить технические свойства и сравнить материалы между собой возможно по показателям, которые получают при испытании материалов в полевых, производственных или лабораторных условиях. Полученные знания основных технических свойств строительных материалов и изделий дают возможность рационально их использовать в строительстве. Например, по известным значениям истинной и средней плотности строительных материалов можно рассчитать, какой плотностью (или пористостью) обладают эти материалы, и составить достаточно полное представление о прочности, теплопроводности, водопоглощении и других важных характеристиках строительных материалов, чтобы в дальнейшем на этом основании решать вопрос об их применении в тех или иных сооружениях и конструкциях.

Для расчета нагрузок при определении массы сооружений для транспортных расчетов и выбора емкости складских помещений необходимо знать величину средней плотности строительных материалов. Без данных о прочности применяемых материалов невозможны расчеты прочности и устойчивости сооружений и конструкций. Прогноз их долговечности невозможен без знания таких свойств материала, как отношение к влаге, воздействию окружающей среды, смене температур и др.

Свойства материалов не остаются постоянными, а изменяются во времени в результате механических, физико-химических и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется строительная конструкция или изделие. Эти изменения могут протекать и медленно (разрушение горных пород), и быстро (вымывание из бетона растворимых веществ). Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию изделия или конструкции.

Знание основных свойств строительных материалов необходимо также для выполнения расчетов, позволяющих оценить их качество, соответствие техническим требованиям, возможность применения в конкретных условиях эксплуатации.

Употребляемые в строительстве материалы должны удовлетворять определенным требованиям, которые устанавливаются государственными стандартами (ГОСТами). В строительстве соответствие поступающих материалов требованиям ГОСТа проверяют специальные лаборатории.

Любой вид продукции обладает определенными свойствами, представляющими интерес для потребителей. Для строительных материалов важны такие качества, как прочность, плотность, теплопроводность, морозостойкость, стойкость по отношению к действию воды, агрессивных сред и др. Качеством называется сумма свойств, определяющих пригодность материала и изделия для использования по назначению. Так, для кровельных материалов оценка их качества производится по сумме таких свойств, как водостойкость, водонепроницаемость, термостойкость, прочность на изгиб, атмосферостойкость и др.

Контроль качества строительных материалов и изделий проводят по разработанным нормам, требованиям и правилам. В зависимости от контролируемого производственного этапа различают контроль входной, технологический и приемочный.

Входной контроль включает проверку соответствия поступающих материалов и изделий установленным требованиям. Например, на предприятиях сборного железобетона проверяют качество поступающих исходных материалов: заполнителей и цемента для бетона, арматурной стали, закладных деталей, отделочных и других материалов.

Технологический контроль состоит в проверке соответствия установленным требованиям температуры, давления, времени выдерживания, тщательности перемешивания и других показателей технологического процесса.

Приемочный контроль заключается в проверке соответствия готовых изделий требованиям стандартов или технических условий.

Все материалы и изделия выпускают по государственным и межгосударственным стандартам – ГОСТ, СТ СЭВ, ИСО, СТБ, СНБ. Деятельность стандартизации существует для повышения качества продукции, безопасности ее получения и безопасности. Методы испытаний также стандартизированы. Кроме этого, в строительстве существуют «Строительные нормы» и «Технические нормативные правовые акты», представляющие собой объединенные нормативные документы по проектированию, строительству и строительным материалам.

СТРОИТЕЛЬНЫЕ СТЕКЛОМАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

В настоящее время стекло является одним из важнейших искусственных строительных материалов. Стеклом называют твердый аморфный материал, получаемый из переохлажденных жидких минеральных расплавов. Строительное стекло используют для:

– остекления световых проемов в стенах;

– фонарей;

– устройства прозрачных и полупрозрачных перегородок;

– отделки стен.

Стеклоизделия выпускают в виде листового оконного и закаленного стекла, стеклянных труб, теплоизоляционных блоков из пеностекла и другие изделия. Номенклатура продукции: листовое стекло, конструкционные, облицовочные, звукоизоляционные и теплоизоляционные стеклянные изделия. Из стеклорасплавов и шлакорасплавов создают микрокристаллические материалы – ситаллы и шлакоситаллы, которые сочетают в себе аморфную и кристаллическую структуры.

Изготовляют стекло из чистого кварцевого песка, известняка, доломита, кальцинированной соды, сульфата натрия и полевого шпата. Для придания стеклу повышенной термостойкости, прочности, химической стойкости, светорассеивания цвета в его состав вводят добавки.

Одной из основных особенностей стекла является способность стекломассы поддаваться разнообразным способам формования. Ее можно заливать в форму, штамповать, прокатывать между вальцами, прессовать, выдувать изделия сложной конфигурации, вытягивать в листы, нити, трубки. Отформованные изделия охлаждают в специальных печах и камерах. При медленном охлаждении – отжиге – возникающие при формовке остаточные напряжения ослабевают до нормы, что обеспечивает длительную и надежную эксплуатацию стеклянных изделий.

Если повторно нагреть полученное изделие, а затем его резко охладить, можно получить равномерно распределенные остаточные напряжения сжатия во внешних слоях и растяжения во внутренних. Такой режим охлаждения называют закалкой. Его применение обеспечивает стеклу повышенную механическую прочность при ударе и изгибе в 5…7 раз, термостойкость в 3…5 раз и твердость в 5…7 раз по шкале Мооса.

При разрушении закаленного стекла образуются мелкие осколки с тупыми нережущими краями. Если в исходную шихту ввести некоторые добавки, например, оксиды металлов или соединения фтора, то при повторном нагревании полученных изделий в стекле начинается процесс кристаллизации. Добавки, представляющие собой кристаллические вещества, играют роль катализаторов. В результате образуется сложная структура, содержащая 90…95 % беспорядочно ориентированных микрокристаллов размером менее 1 мкм, остальное – стекловидная фаза.

По своим свойствам такие стеклокристаллические материалы – ситаллы – занимают промежуточное положение между стеклом и керамикой. Они прочнее стекла, тверже высокоуглеродистой стали, легче алюминия, химически и термически устойчивы, обладают хорошими диэлектрическими свойствами, по коэффициенту расширения некоторые из ситаллов близки к кварцевому стеклу. Если в качестве сырья используют шлаки черной металлургии, то получают шлакоситаллы с аналогичными свойствами.

Строительное стекло представляет собой биостойкий невозгораемый жесткий материал, обладающий высокой стойкостью к действию влаги, солнечной радиации и отрицательных температур.

Свойства строительных стекол зависят от химического состава. Так, их плотность изменяется в пределах 2200…8000 кг/м куб., прочность при сжатии составляет от 700 до 1000 МПа, при растяжении – от 30 до 80 МПа. Стекло обладает низкой термической устойчивостью (перепад температуры здесь составляет не более 80 градусов) и прочностью на удар. С увеличением толщины изделия сопротивление удару теплозащитные и звукозащитные свойства возрастают. По электрическим свойствам стекла относятся к диэлектрикам.

Силикатные строительные стекла отличаются высокой химической стойкостью за исключением действия плавиковой и фосфорной кислот. Этот материал обладает уникальными оптическими свойствами: светопропусканием, которое достигает 92 %, светопреломлением, отражением и рассеиванием света.

Листовые стекла. Наибольший объем выпускаемой продукции из стекла составляют листовые стекла. Листовые стекла представляют собой плоские листы, у которых длина и ширина во много раз больше толщины изделия. Эти материалы получают из стекломассы вертикальным выравниванием, горизонтальным прокатом, между двумя вращающимися валиками и флоат-способом.

Сущность флоат-способа заключатся в том, что струя стекломассы, температура которой составляет 1000 градусов, непрерывно подается на поверхность расплавленного олова, температура которого составляет 232 градуса, и растекается по ней слоем определенной толщины, превращаясь в результате охлаждения в ленту стекла с полированной нижней поверхностью.

В строительстве применяют следующие виды листовых стекол:

– оконное;

– витринное полированное;

– витринное неполированное;

– светорассеивающее узорчатое;

– цветное;

– армированное;

– стеклопакеты;

– профильное;

– узорчатое;

– архитектурные детали;

– витражи;

– пеностекло;

– мозаика;

– скульптурное;

– строительные пластики;

– декоративные отделочные ткани;

– солнцезащитное;

– увиолевое;

– многослойное (триплекс) стекло.

По качеству поверхности листовое стекло может быть неполированное и полированное; по способу упрочения – обычное, отожженное, закаленное и упроченное химическими или другими способами и, в частности, армированное; по цвету – бесцветное, цветное; по профилю – плоское, волнистое, гнутое и профильное.

Оконное стекло. Оконным называют бесцветное прозрачное листовое стекло толщиной от 2 до 6 мм, которое применяют для остекления окон, дверей жилых (2,5…3 мм), общественных, производственных зданий и сооружений (3…6 мм).

Витринное полированное стекло. Витринным называют крупногабаритные листы бесцветного прозрачного неполированного и полированного стекла толщиной 6,5…10 мм. Применяют его для остекления витрин и витражей зданий аэропортов, автовокзалов, торговых и спортивных зданий с использованием стальных и алюминиевых переплетов.

Узорчатое стекло. Узорчатое стекло имеет на одной или обеих поверхностях четкий рельефный рисунок. Оно обеспечивает рассеивание света и обладает высокими декоративными свойствами. Этот вид стекол используют для остекления оконных и дверных проемов, устройства перегородок.

Цветовое листовое стекло. Цветное листовое стекло изготавливают из окрашенной стекломассы или путем плотного соединения при формовании бесцветного и тонкого цветного слоев. Этот вид стекла толщиной до 4,5 мм используют для декоративного остекления световых проемов, оформления фасадов, внутренней облицовки, а также для изготовления витражей.

Армированное стекло. Армированное стекло получают путем равномерного распределения стекломассы по металлической сетке с последующим прокатом. Это придает ему повышенную безопасность и огнестойкость. Стекло может быть цветным, а поверхность узорчатой. Применяют армированное стекло для остекления окон, дверей, выполнения светопрозрачных перегородок и кровель.

Солнцезащитное стекло. У солнцезащитного, или теплопоглощающего, стекла, низкий процент пропускания инфракрасных солнечных лучей. Такие стекла получают за счет введения в исходное сырье оксидов кобальта или никеля или путем покрытия поверхности листового стекла прозрачным солнцезащитным составом из этих оксидов. Используют солнцезащитные стекла для остекления административно-общественных и производственных зданий. При поглощении инфракрасных лучей происходит нагревание стекол на несколько градусов, поэтому целесообразно выполнять двойное остекление с наружным расположением теплопоглощающего стекла.

Увиолевое стекло. Увиолевое стекло получают из шихты определенного химического состава. Оно обладает способностью пропускать до 75 % ультрафиолетовых лучей, поэтому его применяют для остекления оранжерей, зимних садов, соляриев.

Многослойное стекло. Многослойное стекло состоит из нескольких листов обычного стекла, склеенных между собой прозрачной эластичной полимерной прокладкой. Наиболее распространение получило трехслойное стекло – триплекс, которое обладает высокой прочностью и безопасностью. В строительстве многослойное стекло используют в качестве дверных полотен, специальных ударопрочных перегородок и ограждений. С этой же целью используют листовое закаленное стекло, которое может быть прозрачным, тонированным и матовым.

Листовое узорчатое стекло. Применяемое в строительстве, листовой узорчатое стекло на одной или обеих сторонах имеет по всей поверхности рельефный узор. Стекло изготовляют методом непрерывного проката и выпускают бесцветным или цветным, окрашенном в массе или путем нанесения на его поверхность пленок оксидов различных металлов. Используют узорчатое стекло в помещениях, где необходимо мягкое, равномерное освещение, например, для остекления дверей, окон, крытых веранд, балконов, внутренних перегородок зданий и т.д.